In den frühen Morgenstunden des 6. August 2012 wird die Cruise Stage des Rovers Curiosity den Mars erreichen. Unmittelbar darauf beginnt der Abstieg des Rovers durch die Planetenatmosphäre. Nach etwa sieben Minuten, den so genannten Seven Minutes of Terror, wird Curiosity auf der Marsoberfläche aufsetzen.
Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter
Die Ankunft am Mars
(Bild: NASA (MSL Launch Press Kit, November 2011))
Nach einem 254 Tage andauernden Flug über eine Distanz von 567 Millionen Kilometern durch den interplanetaren Raum wird die Cruise Stage des nächsten Marsrovers der NASA unseren äußeren Nachbarplaneten in den frühen Morgenstunden des 6. August 2012 erreichen. Die letzten Tage der Flugphase zum Mars werden als die “Final Approach Phase” bezeichnet. In diesem Zeitraum werden die verschiedenen Kommunikationsstationen des Deep Space Network (DSN) der NASA fast durchgehend mit Curiosity in Verbindung stehen, um detaillierte Navigationsdaten von dem Rover zu empfangen. Die aktuellen Geschwindigkeiten und Positionen der Raumsonde, welche jetzt unter anderem auch einer Beeinflussung durch das Schwerkraftfeld des Mars unterliegen, werden dabei extrem präzise über die Laufzeiten ermittelt, welche die Radiosignale für ihren Weg zwischen den DSN-Antennen und der Raumsonde benötigen. Hierbei kommen eine Zwei-Wege-Erfassung des Dopplersignals und das Delta-DOR-Verfahren zum Einsatz.
Auf diese Weise kann exakt berechnet werden, an welcher Stelle über dem Mars Curiosity in den Morgenstunden des 6. August in die Atmosphäre unseres Nachbarplaneten eintreten wird. Dieser Punkt wird als “Entry Interface” (kurz “EI”) bezeichnet und befindet sich nicht direkt über der angepeilten Landezone auf der Planetenoberfläche. Zum Erreichen des für die Landung im Gale-Kraters benötigten Eintrittpunktes kann die Raumsonde in den letzten Tagen und Stunden vor dem Eintritt noch bis zu drei Kurskorrekturmanöver durchführen. Die erste dieser finalen, als “Trajectory Correction Maneuver” (kurz “TCM”) bezeichneten Kurskorrekturen wird nach dem aktuellen Planungsstand zwei Tage vor der Ankunft am Mars durchgeführt werden. Zwei weitere TCMs sind, sofern nötig, etwa 24 Stunden und etwa neun Stunden vor dem Atmosphäreneintritt möglich.
Zwei Stunden vor dem Eintritt werden die für die Steuerung der Cruise Stage verantwortlichen Flugingenieure des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA Curiosity ein finales Update der Navigationssoftware übermitteln. Dieses Update beinhaltet neben aktuellen Wetterinformationen die vorausberechnete exakte Position der Cruise Stage bei der Ankunft am Mars. Der Flugcomputer Curiositys wird diese Informationen benutzen und durch eigene Positionsmessungen seines Navigationssystems ergänzen und modifizieren. Ab diesem Punkt “verlieren” die Ingenieure des JPL endgültig die Kontrolle über den weiteren Ablauf der Landung. Curiosity manövriert jetzt ausschließlich autonom und der Beginn der “Seven Minutes of Terror”, der finalen sieben Minuten der Landung, steht unmittelbar bevor.
Der Eintritt in die Atmosphäre
Genau 15 Minuten vor dem Erreichen des Eintrittspunktes beginnt die eigentliche Phase des Eintrittes in die Marsatmosphäre, des Abstieges und der Landung (engl. “Entry, Descent and Landing”, kurz “EDL”). Exakt 10 Minuten vor dem Erreichen des Eintrittspunktes – dieser ist an einer Position definiert, welcher sich 3.522,2 Kilometer vom Zentrum des Marsinneren entfernt befindet – wird die Cruise Stage durch die Zündung von 10 Pyroladungen von der Eintrittskapsel des Rovers abgetrennt. Unmittelbar nach der Abtrennung nimmt dann auch das im Hitzeschild befindliche MEDLI-Suite seine Arbeit auf.
Neun Minuten vor dem Eintritt wird das “Rover Guidance, Navigation and Control System” aktiviert und Curiosity beginnt eine Reihe von autonomen Operationen, mit denen die Eintrittskapsel über einen Zeitraum von drei Minuten und sechs Sekunden in die korrekte Ausrichtung für den bevorstehenden Atmosphäreneintritt befördert wird. Hierbei wird zuerst ein so genanntes “De-Spin”-Manöver durchgeführt. Während des Fluges zum Mars wurde die Cruise Stage des Rovers mit zwei Umdrehungen pro Minute lagestabilisiert. Diese Rotation wird jetzt mittels Lagetriebwerken auf einen Wert von Null abgebremst. Mit einem anschließenden “Turn-to-Entry”-Manöver richten die Lagetriebwerke die Abstiegskapsel so aus, dass der Hitzeschild des Rovers in die Flugrichtung orientiert ist und die Abstiegskapsel vor der auftretenden Reibungshitze schützen kann.
Im Anschluss an diese Manöver werden 5:49 Minuten und 5:19 Minuten vor dem Atmosphäreneintritt zwecks Verlagerung und Stabilisierung des Schwerpunktes der Abstiegskapsel zwei Gewichte mit einer Masse von jeweils 75 Kilogramm abgeworfen, welche den Schwerpunkt der Raumsonde während des bisherigen Flugverlaufes auf der Rotationsachse stabilisiert hatten. Diese aus Wolfram bestehenden Gewichte sind im äußeren Bereich des Aeroshell befestigt, welcher den Rover umgibt und diesen bisher vor den widrigen Einflüssen des Weltalls geschützt hat. Die Separation der Gewichte erfolgt durch die Zündung von Pyroladungen und führt zu einem Anstellwinkel der Abstiegskapsel von 18 Grad.
In Kombination mit der durch den Abwurf der Gewichte erreichten dezentralen Schwerpunktausrichtung der Abstiegsstufe und dem durch die Wechselwirkung mit der Atmosphäre entstehenden dynamischen Druck am Raumfahrzeug erzeugt dieser Anstellwinkel bei dem anschließenden Abstieg durch die Marsatmosphäre einen gewissen Auftrieb. Mittels der kurzen Aktivierung der in der Abstiegsstufe befindlichen acht Manövertriebwerke kann deren Anstellwinkel in einem Bereich von 16 bis 20 Grad aktiv verändert werden. Diese Triebwerke ermöglichen zudem das Fliegen von S-Kurven innerhalb der Planetenatmosphäre. Dadurch soll eine möglichst exakte Annäherung an das vorgesehene Zielgebiet erreicht und ein Augleich einer eventuellen seitlichen Abdrift ermöglicht werden, welche zum Beispiel durch Luftströmungen in der Marsatmosphäre verursacht wird.
Für eine möglichst präzise Annäherung an das Landegebiet nutzt der Bordcomputer die Beschleunigungs- und Lageinformationen aus inertialen Gyroskopmessungen und die Informationen aus den Atmosphärendaten der MEDLI-Sensoren. Entsprechend dieser Informationen werden die Triebwerke im Rahmen des so genannte “Guided Entry”-Verfahrens eingesetzt. Die finale Kalibrierung der beiden für die entsprechenden Messungen zuständigen “Inertial Measurement Units” (kurz “IMU”) beginnt fünf Minuten und 19 Sekunden vor dem Erreichen des Eintrittspunktes zeitgleich mit dem Abstoßen des zweiten Wolframgewichtes. Bis zum Eintritt in die Marsatmosphäre erfolgen anschließend keine weiteren aktiven Manöver der Raumsonde.
Beim Erreichen des Eintrittspunktes, welcher sich etwa 600 Kilometer westlich des Gale-Kraters befindet, wird sich Curiosity in einer Höhe von 125 Kilometern über der Marsoberfläche befinden. Die Geschwindigkeit der Raumsonde liegt jetzt bei 21.240 Kilometern pro Stunde beziehungsweise 5.900 Metern pro Sekunde. In dieser Phase wird ausschließlich der an der Unterseite der Abstiegskapsel befindliche Hitzeschild der Raumsonde für die Abbremsung und den Abbau der dabei freigesetzten Wärmeenergie zuständig sein. Etwa 75 bis 85 Sekunden nach dem Passieren des Eintrittpunktes wird der Schild dabei der größten Temperatur, dem so genannten “Peak Heating”, ausgesetzt sein. Hierbei wird an der Außenhülle des Hitzeschildes eine Temperatur von etwa 2.100 Grad Celsius auftreten. Zum Vergleich: Bei Vulkanausbrüchen auf der Erde erreicht die dabei freigesetzte basaltische Lava Temperaturen von “lediglich” bis zu 1.200 Grad Celsius.
Durch die auftretende Reibung erfolgt auch ein permanenter Abbau der Sinkgeschwindigkeit der Abstiegsstufe. Nach dem Erreichen einer Geschwindigkeit von nur noch 900 Metern pro Sekunde werden sechs weitere Wolframgewichte mit einer Masse von jeweils 25 Kilogramm abgeworfen. Hierdurch wird sich das Schwerkraftzentrum wieder in den Mittelpunkt der Abstiegsstufe verlagern. Zudem wird die Kapsel im Rahmen einer horizontalen Drehung von 180 Grad um die Azimut-Achse so ausgerichtet, dass ein zu einem späteren Zeitpunkt zu aktivierendes Landeradar eine optimale Ausrichtung in Richtung auf die Planetenoberfläche einnimmt. Die Aufgabe des Hitzeschildes ist erfüllt, sobald die Abstiegsstufe durch die Atmosphärenreibung auf eine Geschwindigkeit von Mach 2 abgebremst wurde. Dies wird etwa drei Minuten und 50 Sekunden nach dem Eintritt in die Marsatmosphäre der Fall sein.
Der Abstieg
(Bild: NASA, JPL-Caltech)
Etwa 255 Sekunden nach dem Atmosphäreneintritt ist die Sinkgeschwindigkeit so weit abgebaut, dass sich der fast 16 Meter durchmessende Landefallschirm der Abstiegsstufe entfalten kann. Zu diesem Zeitpunkt wird sich die Abstiegsstufe in einer Höhe von etwa 11 Kilometern über der Marsoberfläche befinden und sich dieser mit einer relativen Geschwindigkeit von 405 Metern pro Sekunde nähern. In den folgenden etwa 70 Sekunden wird durch diesen Fallschirm die weitere Sinkgeschwindigkeit auf einen Wert von dann nur noch 100 Metern pro Sekunde verringert.
Etwa 30 Sekunden nach der Entfaltung des Fallschirmes wird sich die Geschwindigkeit dabei so weit reduziert haben, dass die Sinkgeschwindigkeit der Abstiegsstufe unter die Schallgeschwindigkeit fällt. Jetzt wird der Hitzeschild durch das Zünden weiterer Pyroladungen von der Landestufe abgetrennt. Die Abstiegsstufe wird sich dabei in einer Höhe von voraussichtlich acht Kilometern über der Oberfläche befinden und sich dieser mit einer Geschwindigkeit von 238 Metern pro Sekunde nähern. Zu diesem Zeitpunkt wird auch die an der Unterseite des Rovers befindliche MARDI-Kamera aktiviert und den weiteren Verlauf der Landeprozedur bildlich dokumentieren. Nur wenige Sekunden später nimmt zudem ein an einem separaten Ausleger befindliches Landeradar-System, der “Terminal Descent Sensor” (kurz “TDS”), die Arbeit auf und ermittelt in der Folgezeit permanent die exakte Entfernung zur Planetenoberfläche. Zu diesem Zweck werden insgesamt sechs Radarpulse auf die Oberfläche gerichtet, wobei ein Puls direkt in die Nadir-Richtung, drei Pulse 20 Grad neben den Nadir und zwei weitere Pulse 50 Grad neben den Nadirpunkt zielen. Durch die Ausrichtung der sechs Radarantennen kann das Navigationssystem der Abstiegsstufe die Bewegung in allen drei Achsen präzise ermitteln, was unter anderem für den späteren Einsatz des Sky Cranes unbedingt erforderlich ist.
Etwa 315 Sekunden nach dem Atmosphäreneintritt erfolgt durch die Zündung weiterer Pyroladungen die Abtrennung des oberen Schutzschildes – des so genannten Backshells – und des daran befestigten Landefallschirmes von der Abstiegsstufe. Die Abstiegsstufe wird sich zu diesem Zeitpunkt mit einer Geschwindigkeit von immer noch 100 Metern pro Sekunde in einer Höhe von etwa 1.600 bis 2.000 Metern über der Planetenoberfläche bewegen. Erst unmittelbar nach der Abtrennung werden die acht Bremstriebwerke der Abstiegsstufe, die so genannten “Mars Landing Engines”, welche auf den Landetriebwerken der Viking-Marslander der NASA basieren, aktiviert. Jedes dieser paarweise angeordneten Triebwerke kann einen Schub zwischen 0,4 bis hin zu 3,1 kN generieren. An diesem Punkt beginnt die “Powered Descent Phase” der Landung, wobei die Landetriebwerke Curiositys jedoch etwa eine Sekunde benötigen werden, um ihre volle Leistung zu erreichen. Diese kurze Phase eines “freien Falls” führt zu einem minimalen Anstieg der Sinkgeschwindigkeit auf einen Wert von rund 125 Meter pro Sekunde. Hierdurch wird gewährleistet, dass ein ausreichender Abstand zwischen dem weiterhin an dem Landefallschirm absteigenden Backshell und der Abstiegsstufe erreicht wird.
Nach der Aktivierung der acht Bremstriebwerke werden diese zuerst die Rotation des Rovers um seine eigene Achse ausgleichen. Erst danach werden die Triebwerke den weiteren Abstieg aktiv verlangsamen. Zum einen wird hierbei die horizontale Bewegung in der Marsatmosphäre gestoppt. Zum anderen erfolgt ein Abbau der Sinkgeschwindigkeit auf einen Wert von nur noch etwa 20 Metern pro Sekunde. Ab einer Höhe von 55 Metern über der Oberfläche werden die Triebwerke die Sinkgeschwindigkeit noch weiter verringern. Etwa 355 Sekunden nach dem Atmosphäreneintritt soll hierbei in einer Höhe von jetzt nur noch 21 Metern über der Oberfläche eine Sinkgeschwindigkeit von nur noch 0,75 Metern pro Sekunde erreicht werden.
Die Landung
(Bild: NASA, JPL-Caltech)
Zu diesem Zeitpunkt werden die acht Triebwerke mehr als die Hälfte der 390 Kilogramm zur Verfügung stehenden Treibstoffmasse verbraucht haben. An diesem Punkt werden vier der acht Bremstriebwerke deaktiviert. In einer Höhe von 18,6 Metern über der Oberfläche schaltet die Landesoftware der Abstiegsstufe auf den “Sky Crane”-Modus um, welcher von vielen Leuten als der wahrscheinlich spannendste und anspruchvollste Teil der Landung angesehen wird.
Zuerst wird hierbei der eigentliche Rover durch die Aktivierung weiterer Pyroladungen von der Abstiegsstufe – dem eigentlichen Sky Crane – gelöst. Nach dieser Abtrennung ist Curiosity lediglich noch über vier Kabel mit der Abstiegsstufe verbunden. Eines dieser Kabel ist für den Datentransfer zwischen der Abstiegsstufe und dem Rover verantwortlich. Die anderen drei Kabel – sie bestehen aus einer Polyamidverbindung und müssen während der nächsten Sekunden das komplette Gewicht des Rovers von immerhin 899 Kilogramm halten – dienen dazu, den Rover langsam und kontrolliert in Richtung Marsoberfläche “abzuseilen”. Drei Sekunden nach dem Beginn dieser Prozedur wird Curiosity seine sechs, während des Fluges zum Mars aus Gründen der Platzersparnis eingefaltete Räder ausfahren. Nach insgesamt sieben Sekunden werden die drei Nylonseile ihre vorgesehene volle Abspullänge von jeweils 7,5 Metern erreicht haben und durch eine elektromagnetische Bremse gestoppt. Während des gesamten Vorganges wird sich die Landestufe der Oberfläche auch weiterhin mit einer Geschwindigkeit von 75 Zentimetern pro Sekunde annähern.
Ziemlich genau 15,5 Sekunden nach dem Beginn des “Sky Crane”-Manövers werden die sechs Räder des Rovers in Kontakt mit der Planetenoberfläche treten. Dieser Kontakt bereits des ersten Rades, welches die Oberfläche erreicht, macht sich in einer Verringerung des auf den Seilen lastenden Gewichtes bemerkbar und wird durch verschiedene Sensoren bestätigt und der Lande-Software mitgeteilt. Es wird erwartet, dass alle sechs Räder innerhalb von 1,7 Sekunden die Oberfläche dauerhaft berühren werden. Drei Sekunden nach dem Oberflächenkontakt des ersten Rades werden die vier Kabel, welche die “Sky Crane”-Stufe mit dem Rover verbunden haben, durch die Aktivierung weiterer Pyroladungen gekappt.
Der Wegflug des Sky Crane
(Bild: NASA, JPL-Caltech)
Damit ist die Landung des Marsrovers Curiosity jedoch keinesfalls abgeschlossen. Nach der erfolgten Bestätigung der erfolgreichen Trennung der Verbindungskabel nehmen die vier zuletzt aktiven Triebwerke der Abstiegsstufe wieder “Fahrt auf”. Die Stufe soll sich dabei in einem Winkel von 45 Grad in die Höhe bewegen und nach einer kurzen Brennphase der vier Triebwerke in einer Entfernung von mindestens 150 Metern zur Landestelle des Rovers unkontrolliert auf der Marsoberfläche aufschlagen. Erst mit diesem unkontrollierten Aufprall der Landestufe auf dem Mars ist die “EDL”-Phase des Marsrovers Curiosity offiziell beendet. Und erst zu diesem Zeitpunkt beginnt dann auch offiziell der “Sol 0”, der erste Tag dieser mit einem Gesamt-Finanzvolumen von etwa 2,5 Milliarden US-Dollar teuersten und aus technischer Sicht anspruchsvollsten Rover-Mission auf der Oberfläche unseres Nachbarplaneten. In den folgenden mindestens 24 Monaten soll diese Mission im Rahmen ihrer wissenschaftlichen und technischen Zielsetzungen das Wissen der Menschheit und die Entstehungs- und Entwicklungsgeschichte des Mars erweitern.
Das Risiko
Allerdings ist die Landung Curiositys nicht frei von einer Vielzahl an potentiellen Fehlerquellen. Prinzipiell stellt bisher absolut jede Landung auf einem fremden Himmelskörper aus technischer Sicht ein Risiko dar und kann nicht als eine “Routineoperation” betrachtet werden. Speziell bei der Landung Curiositys kommen dabei verschiedene Hardware- und Software-Komponenten zum Einsatz, welche zuvor niemals unter realen Bedingungen getestet werden konnten. Einzelne Komponenten des Landesystems (zum Beispiel das Radarsystem oder die Abspulung der “Sky Crane”-Kabel) konnten zwar in den vergangenen Jahren ausreichend getestet werden. Aber ein abschließender und zusammenfassender Test aller Abschnitte der Landung war nicht möglich, da auf der Erde vollkommen andere Bedingungen vorherrschen, als diese in der Marsatmosphäre gegeben sind.
Zum Beispiel können die genauen Zeiten und Höhen der einzelnen Ereignisse während der EDL-Phase bisher nur mit dem Wert “in etwa” angegeben werden. Die exakten Zeitpunkte sind unter anderem von den Bedingungen abhängig, welche zum Zeitpunkt der Landung in der Marsatmosphäre vorherrschen. Um diese möglichst präzise vorhersagen zu können, führte der Marsorbiter Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) der NASA im Oktober 2010 eine mehrwöchige detaillierte Untersuchung des marsianischen Wettergeschehens durch.
Durch die Studie erhofften sich die an der Curiosity-Mission beteiligten Wissenschaftler und Ingenieure detaillierte Erkenntnisse über die Anfang August 2012 zu erwartende Wetterlage auf dem Mars, welche den Abstieg des Rovers durch die Atmosphäre beeinflussen wird (im Oktober 2010 herrschte auf dem Mars die gleiche Jahreszeit und somit auch hoffentlich die gleichen atmosphärischen Bedingungen wie während des Zeitpunktes der Landung). Trotzdem wird die Zeitspanne, welche zwischen dem Eintritt der Abstiegsstufe in die Marsatmosphäre bis zu der erfolgreichen Landung vergeht, von der NASA mit einem Wert von mindestens 6,15 Minuten bis hin zu maximal 7,66 Minuten veranschlagt.
Einen weiteren Unsicherheitsfaktor bildet die im Rahmen der Landung einzusetzende Navigationssoftware. Diese beinhaltet alles in allem rund 510.000 Programmzeilen. Durch die Befolgung der darin enthaltenen Befehle sollte Curiosity in der Lage sein, allen vorhersehbaren Situationen und somit auch eventuell auftretenden Schwierigkeiten, welche sich während der EDL-Phase ergeben könnten, im Rahmen einer autonomen Vorgehensweise erfolgreich zu begegnen. Allerdings konnte diese Software niemals in ihrer Gesamtheit unter realen Bedingungen getestet werden. Ihre Funktionalität wird sich erst während des real erfolgenden EDL-Manövers erweisen können.
Hierbei haben die Techniker und Ingenieure des JPL keinerlei Möglichkeiten für ein aktives Eingreifen in die Landeprozedur. Zum Zeitpunkt der Landung werden sich die Erde und der Mars in einer Entfernung von rund 248 Millionen Kilometern befinden. Die daraus resultierende Signallaufzeit der Radiosignale beträgt 13 Minuten und 51 Sekunden. Jeder einzelne der erforderlichen mehreren hundert Einzelschritte des Rovers während der Landung muss somit absolut fehlerfrei funktionieren. Alles andere würde sehr wahrscheinlich einen Verlust der Mission nach sich ziehen.
Der “Touchdown” Curiositys im Gale-Krater wird am 6. August 2012 gegen 07:17 MESZ erfolgen, was einer lokalen Marszeit im Gale-Krater von etwa 15:00 Uhr entspricht. Aufgrund der an diesem Tag gegebenen Signallaufzeit von 13,8 Minuten zwischen dem Mars und der Erde wird die Bestätigung der erfolgreichen Landung jedoch erst gegen 07:31 MESZ erfolgen.